DE4105132C1 - Non-potential generating supply circuitry for electric motor - has transformer with sec. winding supplying control and auxiliary units of inverter - Google Patents
Non-potential generating supply circuitry for electric motor - has transformer with sec. winding supplying control and auxiliary units of inverterInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf Schaltungsanordnungen gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bis 3. Eine Schaltungsanordnung dieser Art ist durch die DE 32 36 692 C2 bekannt.The invention relates to circuit arrangements according to the Preamble of claims 1 to 3. A circuit arrangement of this type is known from DE 32 36 692 C2.
Die bekannte Schaltungsanordnung geht von der auch der Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnis aus, daß im Falle eines Netzausfalles die Versorgungsspannung für die Steuer- und Hilfseinrichtungen des Pulswechselrichters sich aus der in den Gleichspannungszwischenkreis des Umrichters von der an den Pulswechselrichter angeschlossenen Drehstrommaschine rückgespeisten Energie (kinetische Stützung) potentialfrei auskoppeln läßt. Dazu wird bei der bekannten Schaltungsanordnung zwischen die beiden Gleichspannungsanschlüsse des Pulswechselrichters an den Gleichspannungszwischenkreis die Reihenschaltung zweier gleichgroßer Hilfskondensatoren gelegt, deren gemeinsamer Verbindungspunkt einen künstlichen Mittelpunkt der Gleichspannung im Gleichspannungszwischenkreis bildet. Zwischen dem Mittelpunkt und einem Wechselspannungsphasenausgang des Pulswechselrichters liegt die Primärwicklung eines Spannungstransformators, an dessen Sekundärwicklung entsprechend dem pulsierenden Betrieb des Pulswechselrichters eine pulsierende Spannung zur Verwendung bei den im Normalbetrieb über einen Netztransformator gespeisten Steuer- und Hilfseinrichtungen bereitgestellt wird. The known circuit arrangement is based on that of the invention lying knowledge that in the event of a network failure Supply voltage for the control and auxiliary devices of the pulse inverter out of the in the DC link of the Converter from the three-phase machine connected to the pulse-controlled inverter regenerated energy (kinetic support) potential-free can be decoupled. This is done in the known circuit arrangement between the two DC voltage connections of the pulse inverter the series connection to the DC voltage intermediate circuit two auxiliary capacitors of the same size, their common connection point an artificial center of the DC voltage in the DC link forms. Between the center and an alternating voltage phase output of the pulse inverter Primary winding of a voltage transformer, on its secondary winding according to the pulsating operation of the pulse inverter a pulsating voltage for use in normal operation Control and auxiliary devices fed via a mains transformer provided.
Diese Art der Auskopplung der von der Drehstrommaschine in den Gleichspannungszwischenkreis rückgespeisten Energie ist problematisch: Der Spannungstransformator muß für die volle Grundschwingungsamplitude ausgelegt werden. Das jedoch ist eine kritische Maßnahme für niedrige Drehzahlen der Drehstrommaschine, die infolge der abnehmenden gespeicherten kinetischen Energie bei der gezielten Abbremsung der Drehstrommaschine je zumeist erreicht werden, weil der Transformator dann leicht in die Sättigung getrieben wird. Das heißt, der Spannungstransformator muß für einen verhältnismäßig seltenen Notbetrieb auf unwirtschaftliche Weise überdimensioniert werden.This type of decoupling from the three-phase machine into the DC link Regenerated energy is problematic: the Voltage transformer must be designed for the full fundamental oscillation amplitude will. However, this is a critical measure for low speeds the three-phase machine, which is saved as a result of decreasing kinetic energy during the targeted braking of the three-phase machine can usually be achieved because the transformer is then easily into the Saturation is driven. That means the voltage transformer must for a relatively rare emergency operation on uneconomical Way to be oversized.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs angegebene Schaltungsanordnung derart zu verbessern, daß eine wirtschaftlich vertretbare Art der Auskopplung der einfließenden regenerativen Energie für den Betrieb der Steuer- und Hilfseinrichtungen für den Pulswechselrichter ermöglicht wird.The invention has for its object the above Improve circuitry so that an economically viable Type of decoupling of the incoming regenerative energy for the operation of the control and auxiliary equipment for the pulse inverter is made possible.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung jeweils durch die in den Ansprüchen 1, 2 oder 3 gekennzeichneten Merkmale gelöst.This object is according to the invention in each case characterized by that in claims 1, 2 or 3 Features solved.
Vorteilhafterweise werden dem Stromwandler zur Bereitstellung der benötigten Versorgungsenergie lediglich die pulsfrequenten Anteile der Umladeströme des Kondensators im Zwischenkreis zugeführt, so daß wegen der hohen Frequenz eine kleine, das heißt wirtschaftliche Baugröße des Stromwandlers ohne die Gefahr einer Sättigung bei niedrigeren Drehzahlen der Drehstrommaschine verwendet werden kann.The current transformer is advantageously used to provide the required Supply energy only the pulse-frequency components of the recharging currents of the capacitor in the intermediate circuit, so that because the high frequency is a small, that means economical size of the current transformer without the risk of saturation at lower speeds the three-phase machine can be used.
Die Erfindung soll im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigtThe invention will now be described with reference to the drawing Exemplary embodiments are explained. It shows
Fig. 1 eine Schaltungsanordnung mit einem primärseitig in Reihe mit dem Zwischenkreis-Kondensator geschalteten Stromwandler, Fig. 1 shows a circuit arrangement having a primary side connected in series with the intermediate circuit capacitor current transformer,
Fig. 2 eine Schaltungsanordnung zur Aufbereitung der vom Stromwandler nach Fig. 1 bereitgestellten Energie, Fig. 2 shows a circuit arrangement for processing the energy provided by the current transformer according to Fig. 1,
Fig. 3 eine Schaltungsanordnung mit einem primärseitig zwischen einen künstlichen Gleichspannungsmittelpunkt und einen Wechselspannungsphasenausgang eines Pulswechselrichters geschalteten Stromwandler und Fig. 3 shows a circuit arrangement with a primary side between an artificial DC neutral point and an alternating voltage phase output of a pulse-controlled inverter switched current converter, and
Fig. 4 einen primärseitig zwischen zwei Wechselspannungsphasenausgänge eines Pulswechselrichters geschalteten Stromwandler. Fig. 4 is a primary side between two phase AC voltage outputs of a pulse-controlled inverter switched current converter.
Fig. 1 zeigt einen im Normalfall eine Drehstrommaschine M speisenden Pulswechselrichter PWR als Teil eines Gleichspannungszwischenkreisumrichters, der eingangsseitig einen aus einem Netz N gespeisten Gleichrichter GR sowie einen aus einem Zwischenkreis-Kondensator C gebildeten Gleichspannungszwischenkreis aufweist. Fig. 1 shows a feeding normally a three-phase machine M pulse inverter PWR as part of a Gleichspannungszwischenkreisumrichters, the input side having a powered from a network N rectifier GR and a DC voltage intermediate circuit formed by an intermediate circuit capacitor C.
Üblicherweise werden die (nicht gezeigten) Steuereinrichtungen des Pulswechselrichters PWR wie auch dessen Hilfseinrichtungen (zum Beispiel Schutz-, Überwachungs-, Regeleinrichtungen) mit für deren Betrieb notwendigen Versorgungsspannungen aus einer Stromversorgung S gespeist, die ihre Energie durch (in Fig. 1 nicht gezeigte) Ankopplung an das Netz N (in der Regel über Netztransformatoren) bezieht.Usually, the control devices (not shown) of the pulse-controlled inverter PWR as well as its auxiliary devices (for example protection, monitoring, regulating devices) are supplied with supply voltages necessary for their operation from a power supply S which draw their energy from (not shown in FIG. 1) Coupling to the network N (usually via network transformers) relates.
Im Falle eines Netzausfalls ist es zweckmäßig, den Betrieb des Pulswechselrichters PWR fortzuführen, da dann bei einer kurzzeitigen Störung der Antrieb nicht neu angefahren werden muß. Zur Fortführung des Betriebes des Pulswechselrichters PWR wird die kinetische Energie der Drehstrommaschine M genutzt, die sich abbremsend den Gleichspannungszwischenkreis mit regenerativer Energie speist. Der Pulswechselrichter PWR wird dabei in der Frequenz so gesteuert, daß die vom Ladezustand des Kondensators C bestimmte Zwischenkreisspannung Ud (wenn auch eventuell im Notfall auf niedrigem Niveau) konstant gehalten wird.In the event of a power failure, it is advisable to continue operating the pulse-controlled inverter PWR since the drive does not have to be restarted in the event of a brief fault. To continue the operation of the pulse-controlled inverter PWR, the kinetic energy of the three-phase machine M is used, which brakes feed the DC link with regenerative energy. The frequency inverter of the PWR is controlled in such a way that the intermediate circuit voltage U d determined by the state of charge of the capacitor C is kept constant (even if, in an emergency, possibly at a low level).
Um den Betrieb des Pulswechselrichters PWR im Falle des Netzausfalls aufrechtzuerhalten, muß natürlich die (sonst vom Netz abhängige) Stromversorgung der Steuer- und Hilfseinrichtungen sichergestellt sein.To operate the PWR pulse inverter in the event of a power failure The power supply (which is otherwise dependent on the network) must of course be maintained the control and auxiliary equipment must be ensured.
Als Energiequelle für die Stromversorgung bietet sich bei Netzausfall der Gleichspannungszwischenkreis an. Eine direkte Energieentnahme aus dem Zwischenkreis über Shopperschaltungen scheint naheliegend. Jedoch gibt es bei Zwischenkreisspannungen über 500 V, erst recht über 1000 V, keine preiswerten Schalter, die hohe Sperrspannungen vertragen und nur über eine geringe Stromtragfähigkeit verfügen. Die hier einsetzbaren Schalter sind in der Regel also überdimensioniert und teuer. Die direkte Energieentnahme ist mithin unwirtschaftlich.In the event of a power failure, this is an energy source for the power supply the DC link. A direct energy withdrawal from the intermediate circuit via shop circuits seems obvious. However, there are DC link voltages above 500 V, especially over 1000 V, no inexpensive switches, the high reverse voltages tolerated and have only a low current carrying capacity. The Switches that can be used here are usually oversized and expensive. The direct energy extraction is therefore uneconomical.
Die Erfindung gibt eine preiswerte Lösung zur potentialfreien Auskopplung der für die Spannungsversorgung benötigten Energie aus den pulsierenden Strömen des Pulswechselrichters PWR zur Nachladung des Zwischenkreis-Kondensators C bei Netzausfall an:The invention provides an inexpensive solution for floating decoupling the energy required for the power supply from the pulsating currents of the pulse inverter PWR for recharging the DC link capacitor C in the event of a power failure to:
Gemäß Fig. 1 werden dazu der Zwischenkreis-Kondensator C und die Primärwicklung W1 (die Anschlüsse 1-2) eines Stromwandlers in Reihe geschaltet. Die pulsfrequenten Anteile der Umladeströme des Zwischenkreis-Kondensators C liegen üblicherweise in der Größenordnung von 1 bis mehreren kHz. Diese werden zur Energieversorgung der Steuer- und Hilfseinrichtungen über den Stromwandler T ausgekoppelt. Der Stromwandler T kann dadurch in seiner Baugröße gering gehalten werden.According to Fig. 1 of the intermediate circuit capacitor C and the primary winding are to W 1 (1-2 terminals) connected in a current transformer in series. The pulse-frequency components of the charge-reversal currents of the intermediate circuit capacitor C are usually in the order of 1 to several kHz. These are decoupled via the current transformer T for supplying power to the control and auxiliary devices. The current transformer T can thus be kept small in size.
Die Sekundärwicklung W2 des Stromwandlers T ist über die Anschlüsse 3-4 mit der Stromversorgung S der Steuer- und Hilfseinrichtungen des Pulswechselrichters PWR verbunden. Diese Stromversorgung S ist in Fig. 2 genauer gezeigt:The secondary winding W 2 of the current transformer T is connected via the connections 3-4 to the power supply S of the control and auxiliary devices of the pulse-controlled inverter PWR. This power supply S is shown in more detail in FIG. 2:
Über einen in Brückenschaltung ausgebildeten Gleichrichter G wird der durch die Sekundärwicklung W2 des Stromwandlers T fließende Strom durch einen Schalter V1 kurzgeschlossen. Bei Bedarf wird durch eine Regelung R der Schalter V1 geöffnet, und der Strom fließt über eine erste Diode D1 in einen ersten Versorgungszwischenkreiskondensator ZK1 hinein. Bei nicht pulsierendem Pulswechselrichter PWR (das heißt bei geringem Energiebedarf) kann über eine zweite Diode D2 eine Hilfsversorgung H eingespeist werden. Diese ist über einen Netztransformator NT im Normalbetrieb mit dem Netz N verbunden. Für eine weitere Spannungsanpassung zur Stromversorgung ist eine Anpassungseinrichtung A zum Beispiel in Form eines Hochsetz- bzw. Tiefsetztellers und ein weiterer Versorgungszwischenkreiskondensator ZK2 vorgesehen. Zur Bereitstellung einer zur Verteilung durch die Stromversorgung benötigten Wechselspannung U≈ ist ein Wechselrichter WR an den zweiten Versorgungszwischenkreiskondensator ZK2 angeschlossen. Ein Anschluß an den ersten Versorgungszwischenkreiskondensator ZK1 ist ebenfalls möglich (nicht gezeigt). Über diverse Hilfstransformatoren N1, N2 . . . lassen sich einfach die benötigten unterschiedlich hohen Stromversorgungsspannungen bereitstellen. Steht die Spannung an den Versorgungszwischenkreiskondensatoren ZK1 bzw. ZK2 an, kann auch die Elektronik der Stromversorgung S (zum Beispiel zum Betrieb der Anpassungseinrichtung A) selbst versorgt werden. Die Hilfstransformatoren N1, N2 sind wie auch der Wechselrichter WR zum üblichen Betrieb mit der Hilfsversorgung H verbunden. Statt der Hilfstransformatoren besteht auch die (nicht gezeigte) Möglichkeit, Durchfluß- oder Gegentaktwandler direkt an die Versorgungszwischenkreiskondensatoren ZK1, ZK2 anzuschließen.The current flowing through the secondary winding W 2 of the current transformer T is short-circuited by a switch V 1 via a rectifier G formed in a bridge circuit. If necessary, the switch V 1 is opened by a control R, and the current flows into a first supply intermediate circuit capacitor ZK 1 via a first diode D 1 . In the case of a non-pulsing PWR pulse inverter (that is to say with a low energy requirement), an auxiliary supply H can be fed in via a second diode D 2 . This is connected to the network N in normal operation via a network transformer NT. For a further voltage adaptation for the power supply, an adaptation device A is provided, for example in the form of a step-up or step-down plate, and a further supply link capacitor ZK 2 . In order to provide an AC voltage U ≈ required for distribution by the power supply, an inverter WR is connected to the second supply link capacitor ZK 2 . A connection to the first supply link capacitor ZK 1 is also possible (not shown). Via various auxiliary transformers N 1 , N 2 . . . the required differently high power supply voltages can be easily provided. If the voltage at the supply intermediate circuit capacitors ZK 1 or ZK 2 is present , the electronics of the power supply S (for example for operating the adaptation device A) can also be supplied itself. The auxiliary transformers N 1 , N 2 , like the inverter WR, are connected to the auxiliary supply H for normal operation. Instead of the auxiliary transformers, there is also the possibility (not shown) of connecting forward or push-pull converters directly to the supply intermediate circuit capacitors ZK 1 , ZK 2 .
Gemäß Fig. 3 bildet der Verbindungspunkt zweier gleich großer, zwischen die Gleichspannungszwischenkreisanschlüsse des Pulswechselrichters PWR geschalteter Hilfskondensatoren C1, C2 einen künstlichen Mittelpunkt der über dem Zwischenkreis-Kondensator C anstehenden Gleichspannung Ud. Nach einer anderen erfindungsgemäßen Lösung ist zwischen diesen künstlichen Mittelpunkt und den Wechselspannungsphasenausgang U des Pulswechselrichters PWR die Reihenschaltung der Primärwicklung W1 des Stromwandlers T mit einem Hochpaßfilter F, der die pulsfrequenten Anteile aussiebt, gelegt. Die Sekundärwicklung W2 des Stromwandlers T ist wieder mit der (zum Beispiel wie in Fig. 2 gezeigt ausgebildeten) Stromversorgung S verbunden. Beim Pulswechselrichter PWR sind lediglich die zwischen den Wechselspannungsausgang U und die Gleichspannungszwischenkreisanschlüsse geschalteten Ventile V1, V4 mit jeweils mit einer nicht bezeichneten Freilaufdiode gezeigt.According to FIG. 3, the connection point of two auxiliary capacitors C 1 , C 2 of the same size and connected between the DC voltage intermediate circuit connections of the pulse-controlled inverter PWR forms an artificial center of the DC voltage U d present across the DC link capacitor C. According to another solution according to the invention, the series connection of the primary winding W 1 of the current transformer T with a high-pass filter F, which filters out the pulse-frequency components, is placed between this artificial center and the AC phase output U of the pulse inverter PWR. The secondary winding W 2 of the current transformer T is again connected to the power supply S (for example as shown in FIG. 2). In the pulse-controlled inverter PWR, only the valves V 1 , V 4 connected between the AC voltage output U and the DC voltage intermediate circuit connections are shown, each with a free-wheeling diode (not designated).
Sämtliche jeweils durch Freilaufdioden überbrückte Ventile V1 bis V6 des Pulswechselrichters PWR mit den Wechselspannungsphasenausgängen U, V, W sind in Fig. 4 angedeutet. Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Lösung ist hier die Reihenschaltung der Primärwicklung W1 des Stromwandlers T und des Hochpaßfilters F zwischen die beiden Wechselspannungsphasenausgänge V, W geschaltet, so daß auf die Bildung des künstlichen Mittelpunkts der Gleichspannung Ud hier verzichtet werden kann.All valves V 1 to V 6 of the pulse-controlled inverter PWR with the AC voltage phase outputs U, V, W, each bridged by free-wheeling diodes, are indicated in FIG. 4. In a further solution according to the invention, the series connection of the primary winding W 1 of the current transformer T and the high-pass filter F is connected between the two AC phase outputs V, W, so that the artificial center of the DC voltage U d can be dispensed with here.
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1991
- 1991-02-15 DE DE4105132A patent/DE4105132C1/en not_active Expired - Fee Related
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